Tufting缝合复合材料预制体的成型与研究进展

研究论文RESEARCH复合材料预制体是指由连续长丝纤维或短切纤维通过纺织、编织或树脂等有机物复合等方法制成的具有特定结构的纤维预成形体[1]。

预制体是复合材料的骨架，预制体的结构对复合材料的致密化过程和各项性能均有重要的影响。

预制体成型方式决定着预制体的结构，按照复合材料预制体的成型方式，预制体可以分为2D 铺层预制体、2.5D 针刺预制体、3D 编织预制体、和缝合预制体等。

2D 铺成结构预制体z 向无增强纤维，复合材料层与层之间靠基体连接，层间抗剪切能力差，易产生裂纹分层；针刺预制体制备过程自动化程度高，但针刺只能在复合材料z 向引入短切纤维，而且针刺过程中，刺针上的倒钩会损伤面内纤维，降低复合材料的面内力学性能；预制体编织技术虽然可以在复合材料厚度方向引入连续纤维，但自动化程度低，预制体制备周期长；缝合技术是采用缝合线使二维织物构成准三维立体织物或使分离的数块织物连接成整体结构的技术[2]。

一方面，缝合技术能够将具有不同结构的纤维预制体连接在一起，形成整体结构；另一方面，缝合可以有效地引入z 向连续纤维，提高材料的层间性能。

缝合设备目前已实现自动化运行，预制体制备效率高。

缝合技术的最初应用是在1980年，通过缝纫技术Tufting 缝合复合材料预制体的成型与研究进展刘苏骅，李崇俊，嵇阿琳（西安航天复合材料研究所，西安 710025）[摘要] 缝合技术能够在复合材料厚度方向上引入连续纤维，改善复合材料的层间性能。

Tufting 缝合是一种新型单边缝合技术，通过将缝合机头与先进的高精度的机器人连结，提高了缝合过程的精度与灵活性。

介绍了Tufting 缝合预制体的成型过程、缝合参数及缝合对复合材料力学性能的影响。

关键词： Tufting 缝合；预制体；复合材料Manufacture and Advances of Tufting Composite PreformLIU Suhua, LI Chongjun, JI Alin( Xi’an Aerospace Composite Materials Research Institute, Xi’an 710025, China )[ABSTRACT] Continuous fibers can be inserted through thickness of materials by tufting, which improve interlaminar properties of composites. As a novel one-sided stitching technology, tufting robots make stitching process more accurate and flexible. Tufting process, parameters, and composites properties affected by tufting are introduced. Keywords: Tufting; Preform; Composite DOI: 10.16080/j.issn1671-833x.2017.14.088来缝合层合板预浸料达到提高材料损伤容限的目的[3]。

之后在美国波音公司与兰利研究中心联合开展的先进复合材料技术项目的支持下，自动化结构缝合连接技术得到大力发展[4]。

早期的自动化缝合采用双边缝合结构，缝合设备规模大，缝合技术并没有得到广泛应用。

为了克服传统缝合技术的限制，Alitin Nathechnik 生产了新型的单边Tufting 缝合设备[5]。

Tufting 缝合设备将缝合过程集成于缝合机头内，并将缝合机头与具有多自由度的高精度机器人连结，从而使得缝合预制体的形状与尺寸不再受设备的限制。

Tufting 缝合能够灵活地向复合材料z 向引入连续增强纤维，使得复合材料具有优良的层间力学性能，是一种简单、低成本的三维预制体成型技术。

1 Tufting 缝合预制体的制备缝合可以分为双边缝合与单边缝合。

锁式缝合、改进的锁式缝合和链式缝合属于双边缝合。

双边缝合原理类似于家用缝纫机，是从预制体两边通过底线和面线的配合进行缝合，面线由缝针带入后被底线固定，缝合线上存在张力。

单边缝合技术包括两针的ITA （Institute of Textiles, University RWTH Aachen）缝合[6]、OSS ®（One-Sided Stitching, Alitin Nathechnik GmbH） 缝合[7]、研究论文RESEARCH弯针（Blind Stitching, KSL）缝合[8]与Tufting（single-sided tufting, German Aerospace Center and KSL）缝合[9]，依次为图1中（a）、（b）、（c）、（d）。

单边缝合技术除了缝合结构不同外，能缝合的预制体厚度方面也存在着差异。

ITA 最大可缝厚度最小仅为8mm，弯针缝合、OSS 和Tufting 缝合最大可缝厚度分别为10mm，20mm 和40mm。

Tufting 缝合属于单边无底线缝合，相比于传统的双边缝合，Tufting 缝合可只从预制体的一边进行缝合，缝合过程受预制体或芯模形状的影响小，对规则的平面或结构复杂的异形面、回转体等均可进行缝合。

预制体表面沿缝合轨迹留有面线，在底部留有缝合环，但无底线穿过缝合环锁定缝合线，缝合线上几乎不存在张力。

缝合时，先将铺好的干纤维布或预制体固定在支撑材料上，之后通过机器人控制面板调用缝合程序，使缝合机器人控制缝合机头在预制体上表面沿一定的轨迹进行缝合。

缝合针将缝合线沿铺纤维层厚度方向插入铺层干纤维布或预制体，缝合线通过与铺层纤维或支撑材料之间的摩擦力被固定在预制体内部，缝合线可以完全穿透或部分穿过铺层预制体，也可与预制体表面垂直或成一定的角度[10]。

压脚可以起到固定上一针缝合线与压实预制体的作用。

图1（e）为Tufting 缝合预制体结构单元示意图。

缝合可以在预制体厚度方向上引入连续准直纤维，见图2，但对面内纤维有挤开作用，在缝合线周围存在孔隙。

Tufting 原本是一种传统的地毯制造技术，现如今作为一种材料厚度方向增强技术，在轻工与复合材料领域开始被应用[11]。

Tufting 缝合设备现在已经是一种商业化制造的产品，通过专用的机器人语言编程并与硬件交互，可以实现直线、圆弧或圆周的缝合。

针、压的脚和传动轴由3个独立的伺服电机分别控制，通过齿轮与齿条之间的配合来运动，缝合精度高[10]。

针、压脚和传动轴末端配备了接近开关，通过机电配合，向控制中心反馈缝合的位置信息，辅助控制针、压脚和传动轴在一定的范围内运动。

虽然通过编程可以在一定精度范围内控制缝合过程，但机头内的针和压脚却是通过齿轮与齿条间的机械配合实现运动的，因此在大范围使用Tufting 缝合时，存在理论预测与实际位置之间的偏差。

2 Tufting 缝合过程可控参数缝合复合材料的性能与大量的过程参数有关，涉及了缝合线张力、纤维体积含量、缝合针的类型、缝合线的图1 单边缝合预制体结构Fig.1 Structure of one-sided stitching preform铺层纤维铺层纤维铺层纤维铺层纤维支撑材料支撑材料支撑材料支撑材料压脚缝合针缝合针缝合环缝合线缝合线铺层纤维孔隙缝合线（a ）ITA 缝合（d ）Tufting 缝合（b ）OSS 缝合（e ）单边缝合结构（c ）弯针缝合yx图2 Tufting缝合预制体结构Fig.2 Structure of tufting preform研究论文RESEARCH类型（直径、刚度、强度）、铺层预制体的性能以及缝合过程的工艺参数（速度、花样）等。

由于参数众多，本文仅就缝合针、缝合线与铺层纤维、支撑材料、缝合密度4个方面进行概述。

2.1 缝合针缝合针对于Tufting缝合过程来说至关重要。

与传统的缝纫针不同，Tufting缝合针眼是倾斜的，这有利于退针时拔出缝合针（图3）。

缝合针眼后存在一个C型的通道，当缝合针刺入铺层纤维或预制体时，缝线由线轴拉出，穿过摩擦力极小的金属通道，当缝合针退针时，缝合针眼前端存在的凸出结构使针眼前端的纤维与铺层纤维之间紧密接触，让缝合线与周围纤维的摩擦力远大于C型通道内，从而通过摩擦力将纤维保留在铺层预制体内部。

缝合针表面光滑，下针时与面内间的纤维摩擦力很小，能够轻易地将面内纤维挤开而不是刺断，对面内纤维的损伤较少。

缝合针可与预制体表面垂直缝合，也可以与预制体表面成一定的角度（45°~135°）进行缝合。

2.2 缝合线与铺层纤维缝合线不但需要满足复合材料所要求的性能，而且要便于缝合工艺的实施。

在缝合过程中，缝合线与喂线装置之间存在着机械摩擦，使得缝合线起毛，在机器或缝合针狭窄处形成堵塞，导致喂线不畅，缝合线难以留在预制体中。

除此之外，缝合线会在缝合针眼端处弯折，碳纤维等脆性纤维缝合线易于在此处发生断裂。

缝合线加捻可以提高缝合线的耐磨损性能。

加捻可以起到压紧纱线的作用，并且加捻后的缝合线能够有效地抵抗纤维因弯折、剐擦而造成的损伤。

加捻后由于纤维弯曲，纤维强度和模量都会有明显下降（表1）。

缝合线上浆也可以缓解缝合线与喂线装置之间的摩擦起毛现象[12]。

铺层纤维的选取对于复合材料层面内力学性能具有较大的影响。

当铺层纤维松散排列时，面内纤维在缝针插入时，易被缝针挤开，缝合基本不会引起面内纤维的损伤；当铺层纤维紧密排列时，则会引起明显的纤维损伤。

缝合材料的厚度应当在2~35 mm之间。

一般来说，针织织物不适用于Tufting缝合技术，因为其内部连锁排列的纱线会阻碍缝合针的插入。

平纹或缎纹织布易于缝合，无纬布铺层是最理想的铺层结 构[12]。

2.3 缝合密度通过缝合引入z向纤维可以改善复合材料层间性能。

但缝合密度过大，缝合所引起的面内纤维的屈曲与损伤反而会引起面内力学性能的下降，因此缝合密度存在最优值。

图4是缝合结构单元示意图，S x, S y分别代表缝合针距与行距，S x可取3~18 mm，S y可取2~10mm。

2.4 支撑材料的选取合适的支撑材料对于缝合过程是十分重要的。

当缝针完全穿透预制体时，预制体底面的支撑材料应当具备易于缝合针的刺入和能够有效保留缝合线的作用。

选择合适的支撑材料对于缝合预制体的自动化操作是非常重要的：不合适的支撑材料不能有效地保留缝合线，使得缝合线在缝合针拔出时被带出，导致预制体不能被缝透。

发泡材料具有足够的刚度可用于缝合复合材料的支撑，同时，泡沫材料具有足够的弹性，有利于缝合针拔出时留住缝合线。

常用的发泡材料有适合于缝合平板的发泡硅和适合于缝合回转体的闭孔发泡塑料Airex®R63等。